Metabolizmanın incelenmesi, hücre enerjetiğinin çözümlenmesidir. Bir başka deyişle, termodinamiğin ilkelerinin biyokimyasal tepkimelere uygulandığında ne gibi sonuçlar verdiğinin araştırmasıdır. Metabolizma, biyokimyanın inceleme alanına girer; oysa, enerji dönüşümlerinin incelenmesi biyofiziğin konusudur. uzun sure, hayvanlar ve bitkiler üzerinde temel bir ayrımın olduğu düşünülmüştü: Solunumun sadece, hayvan dünyasında bulunduğu sanılıyor, mayalanmalarınsa bitkilere ve mikroorganizmalara özgü ileri sürülüyordu. Ama Lavoisier‘nin 1775 yılında bitkilerde de solunum bulunduğunu kanıtlaması, Pasteur‘un 1859 yılında mantar mayalanmasının açıklanması anlamını açıklaması. Flatcher ve Hopkins’in 1906 yılında kas hücrelerinin glikozu laktik aside çevirme yeteneğinin ortaya çıkması, söz konusu bütün düşüncelerin yanlış olduğunu gösterdi.
Daha sonraki deneylerle, glikozun alkole ya da laktik aside dönüşümünün bir çok evreden sonra gerçekleştiği, bu evrelerden her birinin enzimlerin aracılığını gerektiren birer katalitik tepkime, bütün enzimlerinde birer proteinli bileşik olduğunu kanıtladı. Bütün mayalanmalar aynı tepkime zincirini içerirler: Hayvanlarda ve bitkilerde ortak olan glikoz. Bu zincir şöyle gösterilebilir; glikoz → trioz – fosfat pirüvat Böylece, hayvanlar ve bitkileri ayıran keyfi engellerden biri ortadan kalkmış olur.
Havayla yaşam metabolizması pek iyi anlaşılmamıştır, oksijenin hangi düzeyde işe karıştığı sorun henüz çözülememişti. Ama Krebs 1937’de pirüvattan başlayarak oluşan, karboksil ayrışması ve hidrojen ayrışmasıyla gelişen ikinci bir çevrimin varlığını kanıtladı. Bu çevrimin gelişmesi sırasında bir pirüvat molekülü bütünüyle yükseltgenir ve bu yükseltgenme oksijen bağlanmasıyla değil, hidrojen ayrışması sonucu gerçekleşir; hidrojen atomları, taşıyıcılar tarafından yakalanıp , sistokromlar aracılığıyla oksijene bağlandıkları mitokondrilere kadar taşınırlar; pirüvat molekülü bütünüyle bozunur ve karbondioksit gazi ile su oluşumuna yol açar; solunum, glikoz sırasındaki ürünlere benzeyen fosforil esterlerin oluşumuna eşlik eder. Böylece mayalanmalar ve solunum mekanizmaları arasındaki bağ kurulmuş olur. 1940 yılındaysa Lipmann, metabolizmadaki çevrimler sırasında oluşan fosforlu bileşiklerin gücünün önemini, bu gücün bağ kırılması tepkimesi sırasında organizma tarafından yakalandığını açıkladı. R-O -⁄- PO3 H2. (Fosforil esterler arasında en önemlisi, adonezin trifosfat ya da A.T.P’dir.) otarihten başlayarak fosforil köklerinin ve hidrojen atomlarının aktarım tepkimelerini, enerjinin yakalanmasıyla ve organizmada dağıtımıyla ilgili temel tepkimeler olduğu anlaşıldı. Solunum ve mayalanmalar, canlı hücreye bozundurduğu organizma maddelerinde depolanmış kimyasal enerjiden kalkarak enerji yakalama olanağı sağlayan süreçlerdir. Daha sonra glikozla başlayan trioz-fosfat elde edilmesiyle sonuçlanan ve yalnızca glikofosforil bileşiklerini içeren bir üçüncü metabolizma çevrimi de bulundu. Heksoz monosfosfatlar (H.MP.) çevrimi. Söz konusu üç tepkime dizisi, yani glikoz, Krebs çevrimi ve H.M.P. çevrimi, bütün canlı varlıklarda görülür. Bu süreçte canlı hücre, kendine dış ortamdan sağlanan organik molekülleri bozundurur; bu moleküller deki kimyasal enerjiyi büyümek ve çoğalmak için bir araç olarak kullanır. Solunum mekanizmaları sırasında bozunan organik moleküllerin hidrojeni oksijene bağlanır. Böylece oluşan su ve karbon dioksit gazı atılır. Bozunma eksiksiz olarak gerçekleşir ve molekülün eksiksiz yanma çizimine uyar. Oksijen+glikoz→ karbon dioksit+su buna karşılık mayalanma olayları sırasında bozunma tam olarak gerçekleşmez.. Hidrojen, oksijen molekülüne değil, bir organik moleküle bağlanır. Bir glikoz molekülünün mayalanması (laktik mayalanma) şöyle gösterilebilir: 1 -glikoz→ 2 laktik asit (2 adenozin trifosfat ya da A.T.P2yle birlikte). bir glikoz molekülünün tam yükseltgenmesiyse (solunum) şöyledir; 1 glikoz +6O2 -6CO2+ 6H2O (oksijen) (karbon dioksit (su) 838 A.T.P. ile) gazı)
Oluşan A.T.P. molekülleri, özel bir kimyasal bağ içerirler. Bu bağlar, kırılmaları sırasında, büyük miktarda enerji açığa çıkaracak yetenektedirler. Organizmadaki kimyasal enerji de, bu biçimde depolanır. Bu arada solunumun mayalanmaya göre daha çok enerji açığa çıkarttığını belirtmek gerekir. Bütün bu buluşlara karşın hayvanlar ile bitkiler arasında hala temel bir ayırım bulunduğu sanılmakta yalnızca bitkilerin, karbon dioksit özümledikleri (ışılbireşim aracılığıyla klorofil özümlenmesi) ileri sürülmekteydi. Ama bu yanlış kanı da bazı bakterilerin de CO2 bağladıklarının açığa çıkmasıyla ortadan kalktı; pirüvik asit +CO2 oksaloasetik asit karbon dioksit gazı, var olan bir karbon molekülüne bağlanır. tepkime dizisi H.M.P. çevrimindeki tepkimeler dizisiyle aynıdır. Bu tepkimelere gerekli olan enerji, burada da fosforlu A.T.P. molekülleri aracılığıyla sağlanır. Işılbireşimin özgün tepkimesi suyun fotolizidir : Su molekülünün, kloroplastlar tarafından yakalanan ışık enerjisi sayesinde hidrojene ayrışması. Bu ayrışmadan sonra, hidrojen motokondri sistemlerindekilere benzeyen taşıyıcılar (primidik koenzimler ve sitokromlar) aracılığıyla taşınır. ışılbireşimin temel işlevi, bireşim tepkimeleri sırasında kullanılan yüksek enerjili bağların (A.T.P.) bireştirilmesidir.
KATABOLİZMA ANABOLİZMA
Bütün bu tepkimeler, enerjiyi sağlayan tepkimeler bütünü olan bozundurucu metabolizmasıyla, yani katabolizmasıyla ilgiliidir. Sağlanan bu enerji, canı maddenin bireşimine , yani, anabolizmaya yarar. Böylece hücrelerin ve organizmaların büyümesi ve çoğalması sağlanır. Katabolizma çevrimleri sırasında organizma tarafından depolanan enerji kendi bileşenlerinin, yani, metabolitlerin, ve makro moleküllerin birşiminde kullanılır. Fosforil esterler (A.T.P. ve aynı tür moleküller), bozunma tepkimeleri (katabolizma) ile bireşim tepkimeleri (anabolizma) arasında enerji taşıyıcı görevi yaparlar. Bütün organizmalarda görülen başlıca metabolizma ççevrimlerii (glikoz, Krebs çevrimi, heksozmonofosfat çevrimi), hem katabolizma, hem de anabolizma doğrultusunda işlev yaparlar.
METABOLİZMANIN BAŞLICA SÜREÇLERİ
a) Glikoz. Glikozdan, pirüvata uzanan enzim tepkimelerini belirten glikoliz, havalı ortamda olduğu kadar (solunum), havasız ortamda da (mayalanma) , organizmadaki şekerlerin temel bozunma yoludur. İki A.T.P. (fosforil esterler) molekülü oluşturur. Mayalanma sırasında pirüvat, asetata dönüşür. Asetat da Krebs çevrimine katılır.
b) Krebs çevrimi. Bu çevrim sırasında, asetat molekülü bütünüyle yükseltgenir; iki kez karboksil, dört kezde hidrojen ayrışması gerçekleşir. c) Heksoz monofosfatlar (H.M.P.) çevrimi. H.M.P. çevrimi glikozdan başlar ve C5’lü bir şekerle yani bir triozla (Fosfogliseraldehit) sonuçlanır. AyrıcaC,’li (pentez), C4’lü (tetraozi) ve C7’li (heptüloz) şekerlerde ortaya çıkabilir. Bu şekerlerin önemli bozunma süreci, anı zamanda nükleotitlerin ve çeşitli aminoasitlerin bireşiminin başlama sürecidir. i ortamda, d) Elektron taşıyıcıları zinciri. Glikoliz, Krebs çevrimi ve H.M.P. çevrimi, hidrojen ayrışmaları tepkileri içerirler. Oksijenli ortamda enzimler aracılığıyla maddeden koparılan hidrojen iyonları ve elektronlar, oksijene bağlanırlar. Ancak bu yükseltgenmiş madde düzeyini doğrudan etkilemez.
ENZİMLERİN İNCELENMESİ
Enzimlerin incelenmesi, hücre yaşamı açısından çok önemlidir. hiçbir biyolojik tepkime, özel enzimlerin ya da özel bir tepkimenin katkısı olmadan gerçekleşmez. Canlı maddenin % 50-75’ini oluşturan mikro moleküllerin yapısal incelemesi, genetik kurallarının ve işleyiş mekanizmalarının belirlenmesini sağlar..